水稻种子机械化干燥技术及装备研究现状与发展探讨

廖 骞，刘大为，王修善

(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省智能农机装备重点实验室，湖南 长沙 410128)

水稻是我国主要的粮食作物。 水稻种子质量对于水稻的产量有着极为重要的意义。目前，我国对粮食干燥的研究比较多，而对于水稻种子干燥技术的研究相对较少。种子和水稻谷物的干燥有着明显的差异。水稻的种子主要用来繁殖，因此，种子干燥应注重保持其活性质量，而粮食主要用来食用，谷物干燥应注重保证口感和营养。水稻种子收获时间比正常的水稻谷物收获时间早。水稻种子在收获时的含水率都比较高，必须及时将水稻种子的含水率降低到13%左右。如果不及时干燥，水稻种子将会因发热变质而失去育种价值，造成不必要的损失。据统计，2019年我国水稻种子的机械干燥率约为30%[1]。我国水稻种子的机械干燥技术还有很大的发展研究空间。

1 水稻种子的干燥工艺

水稻种子和水稻谷物相比有着特殊的工艺要求。干燥温度过高，容易破坏种子内部结构，使种子失去育种价值。国内外许多学者对水稻种子的最佳干燥温度进行了研究。王攀[2]研究表明，种子活力指数最高时的干燥温度为 45 ℃，随着干燥温度的升高，种子的发芽率会明显降低，种子的导电率会增加，种子的内部结构会随着温度的增加受到破坏。OYOH和MENKITI[3]研究表明，40 ℃是水稻种子干燥的最佳温度，能够更好地保证种子的活性。HASAN等人报道水稻种子在干燥温度超过40 ℃以后发芽率会一直下降[4]。张银[5]研究表明，在干燥过程中应实时监测种子的温度，在谷物温度超过 34 ℃后，种子的发芽率明显下降；当干燥温度为 40 ℃时，种子温度约为 34 ℃，因此，水稻种子干燥时干燥温度应不超过 40 ℃，这样才能有效保障水稻种子的发芽率。

除了对干燥温度进行研究以外，还有很多专家对水稻种子干燥其他方面的技术参数进行了研究。HERTER和BURRIS[6]研究发现，影响种子干燥质量最主要的因素是干燥温度和干燥速度。MCDONALD和COPELAND[7]干燥玉米种子时发现，水分较高的种子在干燥时更加容易受到热损失。他们建议进行分段干燥，先在低温下干燥高水分的种子，当种子含水率为20%左右时提高干燥温度到46 ℃，然后进行后续干燥。诸凯等[8]研究表明，在干燥种子的过程中，对种子施加一定频率的振动能够加快种子内部水分的流失，进一步得到优质的干燥效果。

随着水稻种子干燥时间的增加，其内外部水分差不断增加，产生应力后会使种子产生裂纹而影响种子的品质，因此在种子干燥过程中应该增加缓苏处理。干燥一段时间后进行缓苏处理，能够使种子内部水分向外层渗透，使种子内外层水分含量均匀，减少水分差，从而降低产生裂纹的可能性。相关研究表明[9-11]，缓苏处理对于提高干燥效率、提升干燥品质有极大帮助。王攀[2]研究表明，长时间的高温干燥会降低种子的活力；干燥一段时间后再进行5～20 min的缓苏处理，种子活力不会下降。缓苏处理能够减少种子在干燥过程中产生的应力裂纹，并且能够避免种子长时间处于高温干燥的环境中，减少种子的热损害。

2 水稻种子干燥技术

目前水稻种子的干燥技术可以分为自然晾晒干燥和机械干燥两大类[12]。自然晾晒干燥主要是利用太阳光直接照射水稻种子表面来进行干燥,达到降低水稻种子水分的目的。由于自然晾晒干燥容易受到气候、场地等多方面因素的影响，所以无法满足大规模的制种要求。在水稻种子机械干燥技术中，运用最广泛、最成熟的是热风干燥技术。除此之外，还有干燥剂干燥、微波干燥等技术。

2.1 热风干燥

热风干燥是目前应用最广泛、技术最成熟的一种干燥技术。根据热风与被干燥物的相对运动，热风干燥可以分为顺流、逆流、混流三种。其原理是利用燃烧煤炭、空气源热泵、太阳能等先将空气加热，然后将待干燥物与加热好的空气接触，实现干燥。热风干燥是我国种子干燥的主要方法[13]。热风干燥处理量大，便于实行大规模制种，成本低，设备完善，但干燥过程中失水较快，容易破坏种子内部结构，且热风干燥容易造成干燥不均匀[14]。

2.2 干燥剂干燥

干燥剂干燥是目前世界上各国用来获得超干种子的一种常用处理方法。干燥剂以硅胶和生石灰(氧化钙)为主，其中氧化钙干燥速率通常比硅胶要快[15]。干燥剂干燥所需时间受多方面的因素影响，包括干燥剂和种子的比例、种子种类、干燥剂种类等。许美玲[16]在研究烟草种子超干干燥时发现超干燥处理和储藏也适合处理和保存大量种子，并且证实了烟草种子在超干燥的条件下寿命可达25年。

2.3 微波干燥

目前，许多产品都成功应用微波干燥技术并取得了一定经济效益[15]。微波干燥具有干燥时间短、设备节能高效、占地面积少等优点。廖庆喜等[17]进行发芽实验表明，微波干燥能够激发种子的活力，增加种子的发芽势。随着研究的进一步发展，研究学者发现将微波干燥和其他干燥方式组合在一起比单纯的微波干燥无论在干燥时间、干燥质量等方面都更具优势[18-20]。

3 水稻种子干燥装备

现阶段我国在水稻种子干燥装备方面相比国外差距明显，干燥装备的质量、数量、智能自动化水平不如国外，且存在干燥工艺研究不足，干燥装备的国家标准制定不全面等问题。目前我国还没有专门用于干燥水稻种子的干燥机，使用的都是用于粮食干燥的低温干燥机。国外先进的水稻种子烘干装备对我国水稻种子烘干机的研究发展有着重要意义，目前，国内外市场主要种子烘干机根据其原理可以分为4大类。

3.1 横流式干燥机

传统的横流式谷物干燥机是一种让谷物竖直运动，使热风横向通过谷物层，实现谷物干燥的机械，如图1所示。该类型烘干机一般设有两个风室，上层为热风室，下层为冷风室，谷物由输送机运送到入料口，然后靠重力落下经干燥层、冷却层，最后排出谷物在干燥机内干燥的时间和速度取决于排粮轮的转速。横流式干燥机的优点是结构简单，成本低，容易被农民接纳。它的主要缺点是进风侧的种子与出风侧的种子干燥不均匀，热能利用率较低[22-24]。目前我国横流式干燥机主要有循环横流塔式烘干机和静态卧式干燥机。

3.2 顺流式干燥机

顺流式谷物干燥机的谷物运动方向与热风的流向相同，目前大多数顺流式干燥机都设有多级的干燥层，各级干燥层之间都设有缓苏层。图2为二级顺流式干燥机的工作示意图，谷物首先经过输送运送到干燥机的顶端，通过筛网落下，经过一级干燥，二级干燥，冷却层冷却，最后通过卸粮螺旋排出。顺流干燥解决了谷物干燥不均匀的问题，干燥质量好，热利用率相比横流式提高了30%左右。但是其机构比较复杂，制造成本相比其他干燥机械高，采用多级干燥，一级入风口位置较高，所以需要大功率的风机[22-24]。

图2 二级顺流式干燥机

3.3 逆流式干燥机

逆流式干燥机是种子与热风相对运动的一种干燥机械，如图3所示。逆流式干燥机的热利用率比较高，从排风口排出的空气中的水分已经接近饱和状态[22-24]。李长友[25]等根据南方地区的高平均温度(24～38 ℃)、高湿度的环境，设计了一款5HN-15连续式逆流干燥机，其结构如图4所示。

图3 传统逆流式干燥机

图4 5HN-15连续式逆流干燥机

3.4 混流式干燥机

混流式干燥机是指种子受到多种流向的热风混和干燥的一种干燥装备，也是目前国外发展最完善、应用最广泛的干燥装备，传统混流式干燥机的结构如图5所示。混流式干燥机内部有许多排气角盒与进气角盒，以实现种子与热风的混合干燥。混流式干燥机的通用性强，可适用于多种谷物和种子的干燥，干燥效果好[26]，随着技术的发展其功能逐步增强。目前我国用于水稻种子干燥的混流式干燥机主要有混流静态房式烘干机和混流循环塔式烘干机。

图5 传统混流式干燥机

除了上述4种主要的种子烘干机以外，国内外许多研究人员还研制了其他种子干燥机。GILL R S,SINGH S, SINGH P P研制了一台专为种子薄层干燥的干燥剂种子干燥机[27]，一次性可以干燥 2 kg种子。该干燥机由空调控制单元和种子干燥室两部分组成，该干燥机的原理是利用干燥剂进行空气除湿，然后再在低温条件下用除湿空气进行干燥，这样能使种子在不降低发芽率的同时保持种子的低含水量。SOONTARAPA和ARNUSAN设计了一款壳聚糖膜干燥器[28]。该类型的干燥器通过蒸汽渗透过程除去潮湿空气中的水蒸气，在实验过程中壳聚糖膜干燥器能够完美的代替传统的热风干燥器，在1～2 h将水稻的含水量从23%降低到16%和13.5%左右，而传统自然晾晒只能够将含水量从23%降低到17.5%和14.5%左右，在40 ℃的热风干燥机中也只能够将含水量从21.5%降低到17.4%和15%左右。GULANDAZ等人研制一款太阳能水稻种子干燥机[29]，该干燥机是一款容量为 500 kg的混合太阳能种子干燥机，能在太阳光照和非太阳光照期间利用储存或备用能量进行干燥，该类型的干燥机适用于太阳辐射充足的地方。除了采用太阳能以外，目前西方国家都开始积极转型，以天然气或者空气源热泵等清洁能源作为主要的热源[30]，空气源热泵具有高效节能、无污染零排放、干燥质量好等优点，在近年逐步得到发展[30-32]。

4 发展趋势及讨论

(1)现阶段国内外主流水稻种子烘干机都是采用热风干燥，但是也存在其他干燥方法，例如用除湿空气对水稻种子进行干燥，先用各种办法将空气除湿，然后用含水量很低的空气对水稻种子进行干燥，这样能够避免种子处于高温环境，很好地保护种子，在低温的环境中也能将水稻种子含水量降低。这种干燥方法以后将会是水稻种子干燥的发展趋势。

(2)现有国内外的干燥机大多都是以煤炭为主要热源，对环境的污染比较严重，随着世界各国对环境的重视，环保型的科技将成为主流。目前西方发达国家主要以天然气和空气源热泵为主要热源，除了这两种应用比较成熟的清洁能源外，还有正在研制中的太阳能、微波能等都将成为行业发展的主流，环保性干燥机将得到飞速发展。

(3)目前干燥机基本都是中大型干燥机，并且还需盖烘干房，配套380 V的工业电源，这提高了许多丘陵地区，中小散农户的使用难度。因此要大力发展小型家用烘干机，在设计研制小型烘干机时，应该以移动方方便、干燥范围广、一机多用、功率低等为优点，进行研发。随着科技的发展，小型干燥机将成为干燥机行业的一种发展趋势。

(4)目前随着5G技术的发展，智能化、无人化是全世界各大科技领域的发展趋势，水稻种子烘干机的研发也要紧跟时代的脚步。烘干机需要更加准确的智能测控系统，能够实时准确地对烘干过程中的种子含水量、种子温度、热风温度等关键因素进行检测，然后反馈给热风机、出风口等机构的控制系统进行控制，从而实现烘干过程的自动化和智能化。